可再生生物合成基钻井液体系研究

解宇宁

doi:10.11911/syztjs.2019097

可再生生物合成基钻井液体系研究

解宇宁^{1, 2,}

1.
中国石油辽河油田分公司钻采工艺研究院，辽宁盘锦 124010
2.
石油工业入井流体质量监督检验中心，辽宁盘锦 124010

详细信息

作者简介:
解宇宁（1987—），男，黑龙江安达人，2009年毕业于大庆石油学院石油工程专业，2012年获东北石油大学油气井工程专业硕士学位，工程师，主要从事钻井液完井液及其材料开发、井壁稳定、油气层保护等方面的研究。E-mail：324802691@qq.com

中图分类号: TE254⁺.3
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出版历程
- 收稿日期: 2018-12-13
- 修回日期: 2019-08-29
- 网络出版日期: 2019-09-10
- 刊出日期: 2019-10-31

Research on Renewable Biosynthetic-Based Drilling Fluid Systems

XIE Yuning^{1, 2,}

1.
Drilling and Oil Production Technology Research Institute, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin, Liaoning, 124010, China
2.
Quality Supervising and Testing Center for Well-Entering Fluid of Petroleum Industry, Panjin, Liaoning, 124010, China

摘要

摘要:
油基钻井液普遍存在基础油难以降解、不可再生等缺点，为此，利用天然生物油脂，通过催化加氢、分子异构等合成了生物合成基础油，以该基础油和改性有机土为主，通过优选其他钻井液添加剂及加量，形成了可再生生物合成基钻井液体系。生物合成基础油是C₁₂—C₂₄的支链异构烷烃混合物，具有优良的安全环保性和黏温特性。室内性能评价试验结果表明，可再生生物合成基钻井液体系的高温高压滤失量低于12 mL，沉降稳定性好，破乳电压在768 V以上，96 h半致死浓度大于1 000 000 mg/L，能抗20%地层水和10%劣土的侵入，岩屑滚动回收率达到98.06%，经其污染的岩心其渗透率恢复率为83.5%～92.3%。研究结果表明，生物合成基础油具有低毒环保、可降解、可再生等优点，可再生生物合成基钻井液在乳液稳定、抗污染、润滑、抑制、储层保护、安全环保等方面均表现出良好的性能，完全能满足复杂地质条件对钻井液的需求。
- 合成基钻井液 /
- 生物合成基 /
- 可再生 /
- 钻井液性能 /
- 半致死浓度 /
- 防止地层损害
Abstract:
Oil-based drilling fluids generally have various disadvantages, for example, the base oil is difficult to degrade and non-renewable. Therefore, an investigation on the renewable biosynthesis oil-based drilling fluid system was carried out. The biosynthetic base oils were synthesized by the catalytic hydrogenation and molecular isomerization of natural bio-oils and fats. Based on the biosynthetic base oil and modified organic soil, the renewable biosynthesis-based drilling fluid system was formed through adding other drilling fluid additives and the optimized dosage, and its performance was evaluated. The biosynthetic base oil was a mixture of C₁₂–C₂₄ branched isoparaffins, which had excellent safety, environmental protection and viscosity-temperature properties. The high temperature and high pressure filtration loss of the renewable biosynthesis-based drilling fluid system was lower than 12 mL, the sedimentation stability was good, the demulsification voltage was up to 768 V, and the 96 h semi-lethal concentration was greater than 1 000 000 mg/L. The biosynthetic oil was able to resist the invasion of 20% formation water and 10% inferior soil, and the rolling recovery rate of cuttings reached 98.06%; the permeability recovery rate of the contaminated cores was up to 83.5%–92.3%. The research results showed that the oil with a biosynthetic base possessed the advantages of low toxicity, environmental protection, degradability and regenerability. The prepared drilling fluid exhibited good properties in emulsion stability, anti-pollution, lubrication, inhibition, reservoir protection, safety and environmental protection, which fully met the needs of drilling fluids under complex geological conditions.
- synthetic based drilling fluid /
- biosynthetic base /
- renewable /
- drilling fluid properties /
- semi-lethal concentration /
- prevention of formation damage

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表 1 油基钻井液常用基础油的性能参数

Table 1 Performance parameters of common base oils for oil-based drilling fluids

常用基础油	密度/（kg·m^–3）	闪点/℃	苯胺点/℃	芳烃含量/（mg·kg^–1）	硫含量/（mg·kg^–1）	运动黏度/（mm²·s^–1）	96 h LC₅₀/（mg·L^–1）
天然气制油	851	110	88	1.20	1.00	3.0	>1 000 000
白油	810	144	83	2.00	3.00	5.8	>1 000 000
BP8313	785	83	80	20 000.00	13.00	2.7	820 000
柴油	841	83	57	30 000.00～50 000.00	250.00	5.9	80 000
Mentor26	838	74	78	10 000.00～20 000.00	5.90	2.7	480 000
生物合成基础油	802	147	92	0.05	0.45	1.9	>1 000 000
注：依据标准《车用柴油（Ⅴ）》（GB/T 19147—2013）和《钻井液生物鉴定推荐作法》（API RP13H）测得。

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表 2 不同基础油加入改性有机土后的黏切性能

Table 2 Adhesive performance of different base oils after adding modified organic soil

基础油	条件	成胶率，%	表观黏度/ （mPa·s）	塑性黏度/ （mPa·s）	动切力/ Pa
柴油	老化前	100	13.0	11.2	1.8
柴油	老化后	99	14.7	13.0	1.7
白油	老化前	79	14.0	12.0	2.0
白油	老化后	77	13.8	11.9	1.9
天然气制油	老化前	85	12.5	10.9	1.6
天然气制油	老化后	80	13.7	12.2	1.5
生物合成基础油	老化前	83	12.2	10.6	1.6
生物合成基础油	老化后	79	13.5	12.0	1.5
注：依据标准《油基钻井液用有机土技术规范》（Q/SY 1817—2015）测得。

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表 3 可再生生物合成基钻井液的基本性能及生物毒性

Table 3 Basic properties and biological toxicity of biosynthetic drilling fluid

密度/ （kg·L^–1）	条件	表观黏度/ （mPa·s）	塑性黏度/ （mPa·s）	动切力/ Pa	静切力/ Pa	API滤失量/ mL	高温高压滤失量/ mL	破乳电压/ V	96 h LC₅₀/ （mg·L^–1）
0.90	老化前	19	15	4	1.3/1.7	1.8	11.9	1 504	>1 000 000
0.90	老化后	30	23	7	1.6/2.0	1.3	9.7	1 874
1.20	老化前	29	21	8	2.0/2.4	1.5	9.2	1 665	>1 000 000
1.20	老化后	37	26	11	2.2/3.1	1.0	8.8	1 730
1.50	老化前	32	22	10	2.2/3.5	1.2	7.0	1 422	>1 000 000
1.50	老化后	47	34	13	2.9/4.8	0.8	6.4	1 601
1.85	老化前	43	31	12	2.9/5.2	0.8	6.2	1 134	>1 000 000
	老化后	54	39	15	3.5/5.5	0.6	5.3	1 377
	静置24 h	66	45	21	5.2/8.3	0.7	6.2	1 090
2.25	老化前	59	42	17	3.2/5.7	0.4	3.2	768	>1 000 000
	老化后	70	39	18	4.3/6.8	0.3	2.4	955
	静置24 h	78	50	28	7.0/10.5	0.6	4.0	976
注：老化条件为180 ℃下滚动16 h；高温高压条件是150 ℃、3.45 MPa；基本性能依据标准《石油天然气工业钻井液现场测试第2部分油基钻井液》（GB/T 16783.2—2012）测得；生物毒性依据《钻井液生物鉴定推荐作法》（API RP13H）测得。

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表 4 不同钻井液抑制性和润滑性的评价结果

Table 4 Evaluation results of the inhibition and lubricity of different drilling fluids

钻井液	一次回收率，%	二次回收率，%	90 min吸水量/g	24 h后样品状态	润滑系数
蒸馏水	17.32	7.86	完全解体	完全散落	0.34
聚硅氟钻井液	54.45	43.36	12.34	四周有剥落	0.17
聚合醇钻井液	79.54	70.79	8.54	表面有裂纹	0.10
KCl聚合物钻井液	81.63	70.89	6.64	体积明显膨胀	0.14
白油油基钻井液	98.78	97.56	0.78	无明显变化	0.04
可再生生物合成基钻井液	99.02	98.06	0.62	几乎无变化	0.03
注：可再生生物合成基钻井液密度为1.20 kg/L，油水比为90∶10。

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表 5 可再生生物合成基钻井液抗水和劣土污染试验结果

Table 5 Results of pollution test of biosynthetic base drilling fluid against water and inferior soil

污染物	条件	表观黏度/ （mPa·s）	塑性黏度/ （mPa·s）	动切力/ Pa	API滤失量/ mL	高温高压滤失量/ mL	破乳电压/ V
5%水	老化前	36.0	25.0	11.0	1.5		1 176
5%水	老化后	41.0	30.0	11.0	1.3	8.8	1 242
10%水	老化前	42.0	29.0	13.0	1.4		975
10%水	老化后	48.0	33.0	15.0	0.9	7.6	1 091
20%水	老化前	54.0	37.0	17.0	0.8		691
20%水	老化后	61.0	41.0	20.0	0.6	5.7	810
3%劣土	老化前	36.5	25.5	11.0	1.3		1 130
3%劣土	老化后	40.0	28.0	12.0	1.0	6.3	1 245
7%劣土	老化前	42.0	28.0	11.5	2.0		944
7%劣土	老化后	53.0	36.0	17.0	1.9	7.5	1 175
10%劣土	老化前	64.0	42.0	22.0	1.8		744
10%劣土	老化后	70.5	46.5	24.0	2.1	9.9	793
注：生物合成基钻井液密度1.20 kg/L，油水比90∶10；老化条件是在150 ℃下滚动16 h；高温高压条件是150 ℃、3.45 MPa；劣土为辽河油田雷88区块的天然泥页岩钻屑；侵入水是矿化度为6 000 mg/L的模拟地层水（519 mg/L CaCl₂+351 mg/L MgCl₂+1 581 mg/L Na₂SO₄+3 549 mg/L NaCl）。

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表 6 渗透率恢复率试验结果

Table 6 Results of permeability recovery test

岩心号	气测渗透率/mD	损害前的渗透率/mD	损害后的渗透率/mD	渗透率恢复率，%
1	0.86	0.189	0.158	83.5
2	8.31	2.119	1.771	83.6
3	28.16	5.017	4.299	85.7
4	53.07	10.389	9.454	91.0
5	239.06	42.089	38.848	92.3
注：可再生生物合成基钻井液密度1.20 kg/L，油水比为90∶10；损害温度为120 ℃。

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